CN113872208A - 一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，方法包括以下步骤：计算出直流侧电容波动功率；求解直流侧电容波动功率为零时的时间最大值和最小值；计算直流侧电容波动功率多个波动周期内的积分，确定直流侧电容电压在多个波动周期内的最大值和最小值，求得直流侧电容整定计算值。本申请在双向阻抗测量装置测量拓扑的基础上，通过分析阻抗测量装置与电网、待测系统之间的能量流动关系，以直流侧波动能量为设计依据，在保证直流侧电压波动在给定范围内的前提下，以较为简单的算法优化电容取值，可以有效地减小电容体积以及安装制造成本。

Description

一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法
技术领域
本发明涉及电力电子与电力系统领域，具体为一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法。
背景技术
以级联H桥变换器为测量拓扑的阻抗测量装置能够通过级联的方式输出多电平波形，在耐受高电压、大电流的大功率场合应用非常广泛。而双向能量流级联H桥阻抗测量装置从电网侧吸收基波功率并存储于直流侧电容中，同时转化为谐波功率注入待测装置。合理设计直流侧电容容值，可有效降低直流侧电压波动，减小装置体积以及制造成本。
对于要求向外注入谐波功率的级联H桥变换器直流侧电容容值设计，目前主流的设计方法是将装置的额定容量近似为电容缓冲功率，进而配合待测系统电压等级整定计算，但是存在整定电容容值偏大的问题，不利于减小装置体积。
针对传统的电容容值设计方法，有文献提出装置中的谐波含量对直流侧电容电压波动之间的关系，考虑当注入谐波电流最大时一个开关周期内的电压波动幅值以确定电容容值的取值范围。虽然该算法能够从电压波动的角度较为精确地确定电容容值，但电容容值设计更关心一个波动周期内的电容电压幅值变化。
发明内容
针对上述问题，本发明通过研究分析级联H桥变换器阻抗测量装置与电网、待测装置之间的能量流动关系，提出了合理的直流侧电容整定设计方法，实现在尽可能小的容值下，保持直流侧电压在给定范围内波动的目标。具体的技术方案如下：
一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据阻抗测量装置的基波瞬时波动功率、注入谐波瞬时功率以及连接支路感抗瞬时功率，计算出直流侧电容波动功率；
步骤2：绘出直流侧电容波动功率在多个波动周期内的时间-功率图，求解直流侧电容波动功率为零的时刻，选取所述直流侧电容波动功率在一个波动周期内与零轴包围面积最大的时间段；步骤3：确定直流侧电容电压幅值的最大值和最小值，直流侧电容的整定计算值由式(1)求得：
Figure BDA0003290511360000021
其中，pdc(t)为直流侧电容波动功率，Umax为直流侧电容电压幅值的最大值，Umin为直流侧电容电压幅值的最小值，要求直流侧电压波动范围为±1％，则Umax取1.01Udce，Umin取0.99Udce，Udce为直流侧电容额定电压；tmin和tmax分别为一个波动周期内电压幅值最小的时刻和电压幅值最大的时刻，N为H桥模块的级联数。
优选地，所述步骤1中的直流侧电容波动功率pdc(t)通过式(2)求得：
Figure BDA0003290511360000022
其中，
Figure BDA0003290511360000023
为阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率，ph(t)为支路注入谐波瞬时功率，pind(t)为支路感抗瞬时功率。
优选地，所述阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率
Figure BDA0003290511360000024
通过式(3)求得：
Figure BDA0003290511360000025
其中，ib＝Ibcosω0t为支路基波充电电流，upccb＝Upccbcosω0t为支路并网基波瞬时电压，Pb＝UpccbIb/2为一个基波周期内的支路平均基波功率。
优选地，所述支路注入谐波瞬时功率ph(t)通过式(4)求得：
ph(t)＝upcchih (4)
其中，ih＝Ih cosωt,ω≠ω0，ω0为电网角频率，即注入扰动谐波电流；upcch为注入谐波瞬时电压。
优选地，所述支路感抗瞬时功率pind(t)通过式(5)求得：
Figure BDA0003290511360000031
其中L为支路电感值，流过连接支路电感的电流为ih-ib。
本申请在双向阻抗测量装置测量拓扑的基础上，通过分析阻抗测量装置与电网、待测系统之间的能量流动关系，以直流侧波动能量为设计依据，在保证直流侧电压波动在给定范围内的前提下，以较为简单的算法优化电容取值，可以有效地减小电容体积以及安装制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的双向能量流阻抗测量装置一相接入测量回路示意图；
图2为本申请实施例提供的双向能量流阻抗测量装置电流内环控制回路示意图。
图3为本申请实施例提供的双向能量流阻抗测量装置直流侧电容功率波动示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1-2，阻抗测量装置一相接入测量回路，阻抗测量装置由多个有源滤波器组成，相当于一个谐波电流发生器，跟踪谐波源电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿。几个有源滤波器还可以并联起来使用，来补偿大容量的谐波电流。
本申请以级联H桥变换器为测量拓扑的阻抗测量装置，从电网侧吸收基波功率并存储于直流侧电容中，同时转化为谐波功率注入待测装置。一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据阻抗测量装置的基波瞬时波动功率、注入谐波瞬时功率以及连接支路感抗瞬时功率，计算出直流侧电容波动功率；
步骤2：绘出直流侧电容波动功率在多个波动周期内的时间-功率图，求解直流侧电容波动功率为零的时刻，选取所述直流侧电容波动功率在一个波动周期内与零轴包围面积最大的时间段；
步骤3：确定直流侧电容电压幅值的最大值和最小值，直流侧电容的整定计算值由式(1)求得：
Figure BDA0003290511360000041
其中，pdc(t)为直流侧电容波动功率，Umax为直流侧电容电压幅值的最大值，Umin为直流侧电容电压幅值的最小值，要求直流侧电压波动范围为±1％，则Umax取1.01Udce，Umin取0.99Udce，Udce为直流侧电容额定电压；tmin和tmax分别为一个波动周期内电压幅值最小的时刻和电压幅值最大的时刻，N为H桥模块的级联数。
进一步地，所述步骤1中的直流侧电容波动功率pdc(t)通过式(2)求得：
Figure BDA0003290511360000051
其中，
Figure BDA0003290511360000052
为阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率，ph(t)为支路注入谐波瞬时功率，pind(t)为支路感抗瞬时功率。
进一步地，所述阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率
Figure BDA0003290511360000053
通过式(3)求得：
Figure BDA0003290511360000054
其中，ib＝Ib cosω0t为支路基波充电电流，upccb＝Upccbcosω0t为支路并网基波瞬时电压，Pb＝UpccbIb/2为一个基波周期内的支路平均基波功率。
进一步地，将如图2所示双向能量流阻抗测量装置电流内环控制回路中扰动电流参考值置零，此时阻抗测量装置工作在并网状态，装置的输出电流即为基波充电电流。支路注入谐波瞬时功率ph(t)通过式(4)求得：
ph(t)＝upcchih (4)
其中，ih＝Ihcosωt,ω≠ω0，ω0为电网角频率，即注入扰动谐波电流；upcch为注入谐波瞬时电压。
进一步地，所述支路感抗瞬时功率pind(t)通过式(5)求得：
Figure BDA0003290511360000055
其中L为支路电感值，流过连接支路电感的电流为ih-ib。
在一个波动周期内，直流侧电容电压从最小值到最大值变化过程对应直流电容上的功率波动最大，故通过计算直流侧电容上的最大功率波动，在给定直流侧电压波动范围的条件下，直流侧电容的整定计算值可通过式(1)计算得到。请参见图3，tmin和tmax分别为一个波动周期内电压幅值最小时刻和电压幅值最大时刻，此时间段内直流侧电容波动功率pdc(t)在一个波动周期内与零轴(O轴)包围面积最大。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据阻抗测量装置的基波瞬时波动功率、注入谐波瞬时功率以及连接支路感抗瞬时功率，计算出直流侧电容波动功率；
步骤2：绘出直流侧电容波动功率在多个波动周期内的时间-功率图，求解直流侧电容波动功率为零的时刻，选取所述直流侧电容波动功率在一个波动周期内与零轴包围面积最大的时间段；步骤3：确定直流侧电容电压幅值的最大值和最小值，直流侧电容的整定计算值由式(1)求得：
Figure FDA0003290511350000011
其中，pdc(t)为直流侧电容波动功率，Umax为直流侧电容电压幅值的最大值，Umin为直流侧电容电压幅值的最小值，要求直流侧电压波动范围为±1％，则Umax取1.01Udce，Umin取0.99Udce，Udce为直流侧电容额定电压；tmin和tmax分别为一个波动周期内电压幅值最小的时刻和电压幅值最大的时刻，N为H桥模块的级联数。
2.根据权利要求1所述的一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，其特征在于，所述步骤1中的直流侧电容波动功率pdc(t)通过式(2)求得：
Figure FDA0003290511350000012
其中，
Figure FDA0003290511350000013
为阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率，ph(t)为支路注入谐波瞬时功率，pind(t)为支路感抗瞬时功率。
3.根据权利要求2所述的一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，其特征在于，所述阻抗测量装置的支路基波瞬时波动功率
Figure FDA0003290511350000021
通过式(3)求得：
Figure FDA0003290511350000022
其中，ib＝Ib cosω0t为支路基波充电电流，upccb＝Upccb cosω0t为支路并网基波瞬时电压，Pb＝UpccbIb/2为一个基波周期内的支路平均基波功率。
4.根据权利要求3所述的一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，其特征在于，所述支路注入谐波瞬时功率ph(t)通过式(4)求得：
ph(t)＝upcchih (4)
其中，ih＝Ihcosωt,ω≠ω0，ω0为电网角频率，即注入扰动谐波电流；upcch为注入谐波瞬时电压。
5.根据权利要求4所述的一种双向能量流阻抗测量装置直流侧电容设计方法，其特征在于，所述支路感抗瞬时功率pind(t)通过式(5)求得：
Figure FDA0003290511350000023
其中L为支路电感值，流过连接支路电感的电流为ih-ib。
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CN103378598A (zh) * 2012-04-20 2013-10-30 西门子公司 滤波器及其设计方法
DE202016100226U1 (de) * 2015-03-05 2016-02-18 "Condensator Dominit" Dr. Christian Dresel Gesellschaft für Leistungselektronik, Energietechnik und Netzqualität mbH Passives Filter für Wechselstrom-Oberschwingungen und Verzerrungen

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